一颗行星能有多大？

木星是太阳系中最大的行星，就质量而言，木星高于其他行星，如果你把所有其他行星聚集在一起形成一个单一的质量，木星的质量还是其的2.5倍，很难低估木星有多大。

但是，由于我们在最近几十年中发现了数千颗系外行星，这就提出了一个有趣的问题，一颗行星到底能有多大？答案比你想象的要微妙。

简单的答案是，一颗大行星太小，不可能是恒星。通常对恒星的定义是，它必须足够大，足以将氢熔化成其核心的氦，主序恒星是一颗由聚变产生的热量和压力被恒星的引力平衡的恒星，恒星主要由氢和氦组成，可以肯定的是，最大的行星也会有类似的成分，太阳由大约75%的氢和24%的氦组成，另外1%是较重的元素，木星大约有71%的氢，24%的氦和5%的其他，所以让我们来计算一个大行星是氢的三分之一到氢的一分之一氦，只要不发生核聚变，一颗大行星就会处于静水平衡状态。这意味着，所有试图自行坍塌的气体的重量，都被不想被挤压的气体的压力所平衡，质量越大，内部受到的挤压就越大，温度也就越高，有了足够的质量，内部就会变得足够热，氢就可以开始衰变成氦，临界质量大约是80个木星，任何质量比它大的东西一定是恒星，但这并不是最后的上限，因为宇宙中有一些物体被称为棕矮星，这些物体是星形的，因为它们不处于静水平衡状态，它们的内部像恒星一样产生热量，甚至可以将氢熔化成氘，而不是氦。另一方面，最小的褐矮星表面阴冷，看起来像行星，褐矮星的质量下限约为13个木星质量，就质量而言，13个木星质量是一个很好的上限，但说到大行星，实际上这颗太阳系质量最大的行星并不是最大的。

与观测到的系外行星相比，按质量估算的行星大小。资料图：Chen and Kipping

不像固体在压力下压缩不了多少，气体可以压缩得很大，所以当你把质量加到一个气体行星上时，它的体积不会增加同样的量。例如，木星的质量是土星的三倍，但体积比土星大不到20%。回到我们的静水平衡模型，大多数大行星的大小实际上比木星小，几年前，陈晶晶和戴维基平研究了行星的大小是如何随质量变化的。他们发现，在海王星型行星之间存在一个过渡点，质量越大，行星的大小就越大，而木星型行星之间存在一个过渡点，质量越大，气体就越压缩，临界点大约是木星质量的一半，所以最大的行星应该在这个质量附近，这与观察一致，目前确认的最大的系外行星是WASP-17b，它的大小大约是木星的两倍，但质量只占木星的49%。

比较了一些最大的系外行星。Credit: NASA/ESA/Hubble

当然，还有其他因素也会起作用，比如成分和温度，已知最大的系外行星往往是围绕其恒星运行的热木星，这意味着它们比木星这样寒冷的木星要温暖得多，密度也低得多，木星还有一个致密的岩石核心，这意味着它比只有氢和氦组成的木星要小，但是，即使考虑到这些因素，木星行星显然也是最大和最庞大的行星。木星不是宇宙中最大的行星，但它确实是一个巨人。

资料来源：陈晶晶和大卫·基平对其他世界的质量和半径的概率预测。

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